CN107094052A - 光学产生雷达脉冲压缩信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学产生雷达脉冲压缩信号的装置，它包括激光器、编码信号发生器、微波信号发生器、偏振复用双平行马赫‑曾德尔调制器、直流电源、光电探测器、起偏器及偏振控制器。利用偏振复用双平行马赫‑曾德尔调制器的移频特性和相位调制特性，将偏振复用双平行马赫‑曾德尔调制器输出的偏振正交的被调制光载波信号和未调制的光一阶边带信号经起偏器耦合后通过光电探测器检测，即可以生成相位编码或线性调频的雷达脉冲压缩信号。本发明基于集成的调制器结构，系统组成简单、性能稳定，克服了传统电域生成脉冲压缩信号方式受电子器件速率和带宽的限制、对高频信号生成困难或不能生成、时宽带宽积受限、系统的可重构性和频率可调性差等缺点。

Description

光学产生雷达脉冲压缩信号的装置

技术领域

本发明涉及微波技术领域及光子技术领域，尤其涉及一种光学产生雷达脉冲压缩信号的装置。

背景技术

随着雷达技术的不断发展，对雷达的作用距离、分辨能力和测量精度等的要求也越来越高。初期的脉冲雷达,发射的是固定载频的脉冲，其距离分辨力反比于发射脉冲宽度。要增加作用距离，就要求加大发射脉冲宽度，这样必然会降低距离分辨力。自从40年代提出匹配滤波理论和50年代初伍德沃德提出雷达模糊原理之后，人们认识到要使雷达系统作用距离远，又具有高的测距、测速精度和好的距离、速度分辨力，发射信号必须是大带宽、长脉冲的形式，即雷达信号应具有大的时宽带宽乘积。

脉冲压缩雷达通过发射宽脉冲以提高发射信号的平均功率，保证足够的最大作用距离，同时保证其测速精度和速度分辨力，而在接收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲，以提高测距精度和距离分辨力，从而较好地解决了作用距离和分辨能力之间的矛盾。脉冲压缩技术产生的脉冲信号时宽带宽积可以远大于1，基于脉冲压缩技术的脉冲压缩雷达同时具有作用距离远、高测距、测速精度和好的距离、速度分辨力，成为了现代雷达的首选技术。具有大时宽带宽积的信号通常被称作脉冲压缩信号，相位编码或线性调频信号是脉冲压缩雷达系统中最常用的脉冲压缩信号。

随着雷达技术的不断发展，现代雷达系统的工作频率也在向更高的频段不断发展，如毫米波雷达，工作频率通常选在30～300GHz范围内。传统的电域生成相位编码或频率调制的微波信号方式受电子器件速率瓶颈和带宽的限制，对于高频信号的生成成本极高或者不能生成，且时宽带宽积受限，系统的可重构性和频率可调性差，难以满足高频雷达技术的实际需求。通过光学方法生成相位编码或线性调频的雷达脉冲压缩信号，可以克服电域生成方法的缺点，生成极高频率的信号的同时达到极大的时宽带宽积，且系统具有可重构性和频率可调性。

已经有很多研究成果涉及到通过微波光子方法生成雷达脉冲压缩信号。早期的基于空间光调制器的方法具有很高的灵活性和可重构性，但由于光在自由空间传输，系统十分复杂且损耗很高。为了克服这些缺点，可以通过基于全光纤的方案实现。通过光学频谱整形和频域到时域映射的方法可以实现脉冲压缩信号的生成，但是通过该方法生成的信号时间长度受限，往往小于1微秒，限制了该方法的使用范围。为了生成长时间长度的脉冲压缩信号，出现了基于单个偏振调制器、基于单个马赫曾德尔调制器、基于单个双平行马赫曾德尔调制器和基于偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器和平衡探测的相位编码信号生成方法，但是这些方法只能生成二进制的相位编码信号，难以生成多进制或线性调频的脉冲压缩信号。为了生成任意调制方式的脉冲压缩信号，出现了基于偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器和光带通滤波器的脉冲压缩信号生成方法，但是该方法使用了光学带通滤波器，这使得系统的稳定性和频率可调谐范围受到了极大的限制。另外一种产生任意调制方式的脉冲压缩信号的方法是通过控制两个相干光波长的相位关系实现的，这样的方法需要通过偏振复用器件或者光学滤波器器件受限将两个光波长在偏振域或空间域分开，再通过偏振调制或相位调制器对两个光波长引入受编码信号控制的相位差，然后将两个光波长耦合起来通过光电检测即可以生成任意调制方式的脉冲压缩信号。这种方法的缺点主要在除了使用产生两个相干光波长的光学调制器外，还需要使用光学滤波、相位调制或偏振调制等设备，造成系统复杂度较高，成本较高。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中所存在的问题而提出的一种光学产生雷达脉冲压缩信号的装置，利用该装置可以产生二进制、四进制或者多进制的相位编码微波信号或线性调频微波信号，产生的脉冲压缩信号的频率可调范围大，只受到偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器带宽的限制，生成的脉冲压缩信号具有极大的时宽带宽积。

实现本发明目的的具体技术解决方案是：

一种光学产生雷达脉冲压缩信号的装置，其特征在于：该装置包括激光器、编码信号发生器、微波信号发生器、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器、直流电源、光电探测器、起偏器及偏振控制器，所述偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器设置在激光器的出射光路上；偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与起偏器的输入端连接，起偏器的输出端与光电探测器连接；所述偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器内集成了两个子双平行马赫-曾德尔调制器，两个子双平行马赫-曾德尔调制器输出的光信号经过正交偏振复用耦合在一起在偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的输出端输出，子双平行马赫-曾德尔调制器由一个主马赫-曾德尔调制器和两个子马赫-曾德尔调制器组成，其中一个子双平行马赫-曾德尔调制器的两个射频输入端口连接微波信号发生器、另一个子双平行马赫-曾德尔调制器的两个射频端口连接编码信号发生器；所述直流电源连接偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的直流偏置端口。

所述子双平行马赫-曾德尔调制器具有相同的结构和性能。

所述子双平行马赫-曾德尔调制器具有独立的射频信号输入端口和直流偏置输入端口。

所述连接微波信号发生器的子双平行马赫-曾德尔调制器的两个子马赫-曾德尔调制器工作在最小传输点，主马赫-曾德尔调制器工作在正交传输点。

所述连接编码信号发生器的子双平行马赫-曾德尔调制器的两个子马赫-曾德尔调制器分别工作在最大传输点和最小传输点，主马赫-曾德尔调制器工作在正交传输点。

所述输入偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的两路微波信号相差85-95°。

所述偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角20-70°。

本发明产生雷达脉冲压缩信号，包括以下步骤：

1)从激光器发出的波长为λ的光波注入到偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器中；

2)微波信号发生器产生的频率为ω_s相位差为85-95°的两路微波信号分别输出偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器其中一个子双平行马赫-曾德尔调制器的两个射频输入端口；

3)编码信号发生器产生的编码信号s(t)分为两路分别输入偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器另一个子双平行马赫-曾德尔调制器的两个射频输入端口；

4)通过直流电源产生的偏置电压使注入微波信号的子双平行马赫-曾德尔调制器的两个子调制器工作在最小传输点，主调制器工作在正交传输点，光信号经过该子双平行马赫-曾德尔调制器的调制，实现了对入射光载波的移频；通过直流电源产生的偏置电压使注入编码信号的子双平行马赫-曾德尔调制器的两个子调制器分别工作在最大传输点和最小传输点，主调制器工作在正交传输点，光信号经过该子平行马赫-曾德尔调制器的调制实现了对光载波进行编码信号的相位调制；

5)偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器输出的光信号通过偏振控制器输入起偏器，调节偏振控制器，使起偏器主轴的方向与偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器一个主轴成20-70°角；6)起偏器输出的光信号通过光电探测器拍频得到频率为ω_s的脉冲压缩信号，脉冲压缩信号由输入编码信号s(t)决定，当输入编码信号为N电平阶梯信号时，可以生成N进制相位编码信号，当输入为抛物线函数信号时，可以生成线性调频信号。

本发明可以生成二进制、四进制或者多进制的相位编码微波信号或者线性调频微波信号，简化现有的实现相同功能的脉冲压缩信号生成方式，能够应用于未来高频段雷达系统或者多功能雷达系统中。

本发明利用偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的移频特性和相位调制特性，将偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器输出的偏振正交的被调制光载波信号和未调制的光一阶边带信号经起偏器耦合后通过光电探测器检测，即可以生成相位编码或线性调频的雷达脉冲压缩信号。基于集成的调制器结构，性能稳定，产生的雷达脉冲压缩微波信号频率可调范围大，具有大的时宽带宽积，克服了传统电域生成雷达脉冲压缩信号方式受电子器件速率瓶颈和带宽的限制、对高频信号生成困难或者不能生成、时宽带宽积受限、系统的可重构性和频率可调性差等缺点。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明实施例1输入微波信号频率为8GHz时，偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振主轴上输出的经载波频移后光信号的光谱图；

图3为本发明实施例1输入微波信号频率为8GHz时，偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器另一个偏振主轴上输出光载波信号的光谱图；

图4为本发明实施例1输入微波信号频率为8GHz时，起偏器输出光信号的光谱图；

图5为本发明实施例1输入微波信号频率为8GHz，(a)编码信号为二进制方波时，生成的二进制相位编码微波信号波形图(实线)，和由该波形恢复出的相位信息(虚线)；(b)编码信号为四电平阶梯信号时，生成的四进制相位编码微波信号波形图(实线)，和由该波形恢复出的相位信息(虚线)；

图6为本发明实施例1输入微波信号频率为8GHz，(a)编码信号为二进制伪随机序列时，生成二进制相位编码信号的自相关；(b)编码信号为四进制伪随机序列时，生成四进制相位编码信号的自相关；

图7为本发明实施例2输入微波信号频率为13GHz时，偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振主轴上输出的经载波频移后光信号的光谱图；

图8为本发明实施例2输入微波信号频率为13GHz时，偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器另一个偏振主轴上输出光载波信号的光谱图；

图9为本发明实施例2输入微波信号频率为13GHz时，起偏器输出光信号的光谱图；

图10为本发明实施例2输入微波信号频率为13GHz，(a)编码信号为二进制方波时，生成的二进制相位编码微波信号波形图(实线)，和由该波形恢复出的相位信息(虚线)；(b)编码信号为四电平阶梯信号时，生成的四进制相位编码微波信号波形图(实线)，和由该波形恢复出的相位信息(虚线)；

图11为本发明实施例2输入微波信号频率为13GHz，(a)编码信号为四进制伪随机序列时，生成二进制相位编码信号的自相关；(b)编码信号为四进制伪随机序列时，生成四进制相位编码信号的自相关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1，本发明包括：激光器1、编码信号发生器2、微波信号发生器3、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器4、直流电源5、光电探测器6、起偏器7、偏振控制器8。激光器1的输出端口与偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器4的光学输入端相连。微波信号发生器3输出的两路微波信号与偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器4的两个射频入端相连，编码信号发生器2输出的两路编码信号与偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器4的另外两个射频输入端口相连，直流电源5输出的直流电压信号与偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器4的直流输入端口相连。偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器4的输出端口与偏振控制器8的输入端口相连，偏振控制器8的输出端口与起偏器7的输入端口相连，起偏器7的输出端口与光电探测器6相连，在光电探测器6的输出端口得到生成的雷达脉冲压缩信号。

本发明产生雷达脉冲压缩信号，具体步骤是：

步骤一、激光器产生工作波长λ为1551.87nm的连续光波，连续光波输入到半波电压为3.5V的偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器；

步骤二、微波信号发生器输出频率为ω_s相差为90°的两路微波信号，分别输入偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器其中一个子双平行马赫-曾德尔调制器的两个射频输入端口；

步骤三、调节直流电源设置该子双平行马赫-曾德尔调制器的两个子调制器的偏置电压均为3.5V，主调制器的偏置电压为1.75V，该子双平行马赫-曾德尔调制器的输出为对入射光载波移频后的光信号；

步骤四、编码信号发生器输出的编码信号分为两路分别输入偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器另一个子双平行马赫-曾德尔调制器的两个射频输入端口；

步骤五、调节直流电源设置该子双平行马赫-曾德尔调制器的两个子调制器的偏置电压分别为3.5V和0，主调制器的偏置电压为1.75V，该子双平行马赫-曾德尔调制器的输出为相位调制了编码信号的光载波信号；

步骤六、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器输出的光信号通过偏振控制器输入起偏器，调节偏振控制器，使起偏器主轴方向与偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器一个主轴方向成45°角；

步骤七、起偏器输出的光信号经过光电探测器实现光电转换后得到频率为ω_s的脉冲压缩信号。

实施例1

微波信号源输出的微波信号频率为8GHz，驱动偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的一个子双平行马赫-曾德尔调制器，该子双平行马赫-曾德尔调制器输出光谱图参见图2。编码信号发生器产生500Mb/s的二进制方波信号或四电平阶梯信号驱动偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的另一个子双平行马赫-曾德尔调制器，其输出光谱图参见图3。起偏器后的输出光信号为图2和图3所示光信号的耦合，光谱图参见图4。光电探测器输出为8GHz的相位编码信号，及利用希尔伯特变换恢复出相位信息参见图5。将编码信号发生器产生的信号更改成128比特的500Mb/s的二进制伪随机序列或四进制伪随机序列，光电探测器输出为8GHz的128位二进制或四进制相位编码信号，经过自相关运算，二进制相位编码信号得到脉冲压缩信号的脉冲压缩比为136，峰值旁瓣比8.6dB，四进制相位编码信号得到脉冲压缩信号的脉冲压缩比为115，峰值旁瓣比7.1dB，参见图6。

实施例2

微波信号源输出的微波信号频率为13GHz，驱动偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的一个子双平行马赫-曾德尔调制器，该子双平行马赫-曾德尔调制器输出光谱图参见图7。编码信号发生器产生500Mb/s的二进制方波信号或四电平阶梯信号驱动偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的另一个子双平行马赫-曾德尔调制器，其输出光谱图参见图8。起偏器后的输出光信号为图7和图8所示光信号的耦合，光谱图参见图9。光电探测器输出为13GHz的相位编码信号，及利用希尔伯特变换恢复出相位信息参见图10。将编码信号发生器产生的信号更改成128比特的500Mb/s的二进制伪随机序列或四进制伪随机序列，生成13GHz的128位二进制或四进制相位编码信号，经过自相关运算，二进制相位编码信号得到脉冲压缩信号的脉冲压缩比为135，峰值旁瓣比7.8dB，四进制相位编码信号得到脉冲压缩信号的脉冲压缩比为116，峰值旁瓣比6.6dB，参见图11。

本发明利用了偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器对光信号的移频特性和相位调制特性及光电探测原理实现了雷达脉冲压缩信号的生成。产生的雷达脉冲压缩信号频率可调范围大，具有大的时宽带宽积，并且根据输入编码信号的不同可以实现各种进制的相位编码信号或线性调频信号的生成。

以上所述实施方案仅为本发明的较佳实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，调制器结构不限于集成的偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器，如使用两个并联的双平行马赫-曾德尔调制器加光学耦合器的结构也能实现同集成的偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器相同的作用，激光器波长不限于1551.87nm，调制器半波电压不限于3.5V，生成信号频率不限于8GHz和13GHz，这些等同变形和替换以及频率范围和光信号偏振夹角范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种光学产生雷达脉冲压缩信号的装置，其特征在于：该装置包括激光器、编码信号发生器、微波信号发生器、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器、直流电源、光电探测器及起偏器，所述偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器设置在激光器的出射光路上；偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的输出端与偏振控制器输入端连接，偏振控制器输出端与起偏器输入端连接，起偏器输出端与光电探测器连接；所述偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器内集成了两个子双平行马赫-曾德尔调制器，两个子双平行马赫-曾德尔调制器输出的光信号经过正交偏振复用耦合在一起在偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的输出端输出；其中一个子双平行马赫-曾德尔调制器的两个射频输入端口连接微波信号发生器、另一个子双平行马赫-曾德尔调制器的两个射频端口连接编码信号发生器；所述直流电源连接偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的直流偏置端口；其中，所述子双平行马赫-曾德尔调制器由一个主马赫-曾德尔调制器和两个子马赫-曾德尔调制器组成。

2.根据权利要求1所述的光学产生雷达脉冲压缩信号的装置，其特征在于：连接微波信号发生器的子双平行马赫-曾德尔调制器的两个子马赫-曾德尔调制器工作在最小传输点，主马赫-曾德尔调制器工作在正交传输点。

3.根据权利要求1所述的光学产生雷达脉冲压缩信号的装置，其特征在于：连接编码信号发生器的子双平行马赫-曾德尔调制器的两个子马赫-曾德尔调制器分别工作在最大传输点和最小传输点，主马赫-曾德尔调制器工作在正交传输点。

4.根据权利要求1所述的光学产生雷达脉冲压缩信号的装置，其特征在于：输入偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器的两路微波信号相位差为85-95°。

5.根据权利要求1所述的光学产生雷达脉冲压缩信号的装置，其特征在于：通过偏振控制器控制，偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为20-70°。